三种典型的滤波特性和开关电容滤波器PPT学习教案

1、会计学1 三种典型的滤波特性和开关电容滤波器三种典型的滤波特性和开关电容滤波器 切比雪夫型低通滤波器的幅频响应: 22 1 () 1() n H C 切比雪夫型滤波器以引入通带起伏为代价，使过渡带 曲线下降的斜率最大化。在给定过渡带截止速率的情况下， 切比雪夫滤波器虽然在通带内的曲线产生了一定幅度的振荡 ，但是可以用低于巴特沃斯滤波器的阶次来实现，从而降低 了电路的复杂性和成本。 c / c是-3dB的截止频率 切比雪夫多项式 2 1 2. 三种频率响应函数的比较 第1页/共23页 贝塞尔型低通滤波器的传递函数: (0) ( ) ( ) n n B H s Bs 与巴特沃斯型滤波器相比，贝塞尔

2、型滤波器的频率特 性稍差一些，过渡带衰减缓慢，但它在通带内产生接近线性 的相位特性，因而具有良好的瞬态特性。 0 ( ) n i ni i B sbs n是滤波器的阶数 贝塞尔多项式 (2)! 2!()! i n-i ni b i ni 2. 三种频率响应函数的比较 第2页/共23页 3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 上述三种类型的滤波器并不是拓扑结构不同的电路， 实际上它们是同一电路在不同参数配置下得到的不同响应 函数。以三阶压控型LPF为例，电路如图所示。 三阶压控型低通滤波器 第3页/共23页 设截止频率为1kHz，R=1k， 1 0.13926FC 2 0.35468FC 3 0.

3、02025FC 巴特沃思型低通滤波器幅频特性的仿真 3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 第4页/共23页 设截止频率为1kHz，R=1k， 1 0.30140FC 2 2.6937FC 3 0.01451FC 切比雪夫型低通滤波器幅频特性的仿真 3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 第5页/共23页 设截止频率为1kHz，R=1k， 1 0.05647FC 2 0.08136FC 3 0.01451FC 贝塞尔型低通滤波器幅频特性的仿真 3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 第6页/共23页 4. 滤波器的瞬态特性 与滤波器传递函数的相频特性有关，瞬态特性表示 滤波器输入非正弦波信号时的响应

4、 滤波器会产生一个与频率有关的相位偏移，如果相 位与频率之间是线性关系，那么滤波器仅使信号延时一 个常量；反之，若相位的变化是非线性的，即不同的频 率成分有不同的相移，则非正弦信号通过这种滤波器时 会产生严重的相位失真。 描述滤波器瞬态特性的主要参数有群延迟、阶跃响 应和冲激响应。 滤波器过渡带的幅频特性越陡峭，这种失真越严重。 第7页/共23页 三种滤波器的冲激响应 4. 滤波器的瞬态特性 第8页/共23页 开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的模拟开关、电 容器和运算放大器三部分组成。开关电容电路的特性仅与 各电容器电容量之比的准确性有关，而与电容器的精度无 关。在集成电路中，可以获得准确性很

5、高的电容比。 9.3.1 开关电容模拟电阻 9.3 开关电容滤波器 开关电容模拟电阻时钟驱动信号 第9页/共23页 由两相时钟1和2控制开关 S1、S2。 9.3.1 开关电容模拟电阻 基本开关电容电路 模拟开关S1和S2的动作规律 ： S1断 S2断 S1通 S2断 S1断 S2断 S1断 S2通 第10页/共23页 当开关S1闭合，S2断开时 ，u1对C充电。 充电电荷 。 11 QCu 当开关S2闭合，S1断开时 ，C放电。 放电电荷 。 22 QCu 设开关的周期为TCP，节点从左到右传输的总电荷为： 12 ()QC uC uu 9.3.1 开关电容模拟电阻 第11页/共23页 等效电

6、流： 12 CPCP () QC iuu TT 如果时钟脉冲的频率fCP足够高，在一个时钟周期内 两个端口的电压可认为基本不变，则基本开关电容单元就 可以等效为一个电阻： 12CP CP 1uuT R iCCf 开关电容的优点：利用MOS工艺控制开关电容的 大小，即可制作大阻值的电阻，使用的硅片面积只是传 统工艺的1%左右。 9.3.1 开关电容模拟电阻 第12页/共23页 两相时钟1和2的频 率 远大于输入信号 的频 率，开关电容单元等效为电 阻： CP f i U CP 1 T R C 2 2CP 1 C RCT C 时间常数： 2 PCP 1 1 2 C ff C 通带截止频率： 9.3

7、.2 一阶RC低通环节 第13页/共23页 2 PCP 1 1 2 C ff C 时钟频率 电容量之比 通带截止频率 稳定、准确 当时钟频率一定时，通带截止频率取决于电容比，而 与电容的绝对值无关。集成工艺制作的MOS电容比的精度 优于0.01%，温度系数小于10ppm/。所以集成开关电容 滤波器的截止频率准确度高且稳定性好。 9.3.2 一阶RC低通环节 第14页/共23页 一阶开关电容滤波器及其等效电路 O 21 u I122 CP 2 11 1 1 UsRC As C UsRsR CC sT C CP 1 1 T R C CP 2 2 T R C 设 , 9.3.3 一阶开关电容低通滤波

8、器 第15页/共23页 9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260 MAX260芯片内含两个独立的 二阶开关电容滤波单元，每个滤波 单元的中心频率f0、品质因数Q及工 作模式均可由程序设置。通过编程 可以设置64种f0、128个Q值及四种 工作模式。芯片内部两个独立的滤 波单元分别用A、B 表示。 MAX260是美国 MAXIM 公司生产的程控滤波器芯片， 可以通过微处理器编程控制滤波器的传递函数，不需要外接 元件即可构成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，简化 了有源滤波器的设计过程。 MAX260的引脚图 第16页/共23页 MAX260通过滤波单元的级联，可以实现四阶滤波器 。由MAX2

9、60构成的四阶带通滤波器如图所示。 MAX260构成的四阶带通滤波器 9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260 第17页/共23页 MAX260的一组二阶滤波单元结构: MAX260的滤波单元结构 9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260 第18页/共23页 在MAX260的滤波单元中，可采用多种方式配置加法放 大器和积分器，实现不同的滤波功能。该芯片通过将编程模 式字写入编程内存来选择工作模式。 模式1： ALP=-1 ABP=-Q ABE1=ABE2=-1 可以构成巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔型滤波器，实现 低通和带通滤波功能，也可以构成二阶带阻滤波器；该模式 与模式4支持高时钟频率。 9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260 第19页/共23页 模式2： ALP=-0.5 ABP=-0.707Q ABE1=-0.5，ABE2=-1 可以构成低通、带通和带阻滤波器。与模式1相比，其 主要优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。 9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260 第20页/共23页 模式3： ALP=-1 ABP=-Q AHP=-1 只有该模式可以构成高通滤波器，也可以构成低通和 带通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率 。若采用独立的运算放大器，将模式3的高通输出和低通输 出相加，就可以构成带阻滤波器。 9.3.4 集成